I fisici delle particelle sognano un collisore di muoni

Aug 21, 2023

Dopo anni trascorsi a languire nell’oscurità, le proposte per un collisore di muoni stanno riprendendo slancio tra i fisici delle particelle

I fisici delle particelle sono improbabili evangelisti, ma nei giornali, nelle conferenze e con magliette, adesivi e meme, molti di loro stanno diffondendo la buona parola di un collisore di muoni, una macchina di nuova generazione che potrebbe distruggere i muoni, i massicci cugini dei muoni. elettroni. In un manifesto del 2021, “The Muon Smasher’s Guide”, i partigiani delle particelle hanno esposto il loro caso. "Costruiamo collisori non per confermare ciò che già sappiamo, ma per esplorare ciò che non sappiamo", hanno scritto. “I muoni stanno chiamando e dobbiamo andare.”

Per i sostenitori, il vantaggio di un collisore di muoni è la sua capacità di combinare i punti di forza di due tipi esistenti di collisori. Queste enormi macchine generalmente fanno scontrare protoni o elettroni in anelli sotterranei. Registrando le conseguenze di questi incidenti, i fisici possono raccogliere informazioni sulla conformazione del territorio subatomico. Ogni metodo ha i suoi pro e contro. I protoni pesanti, ognuno dei quali è in realtà un brulicante fascio di particelle più piccole e fondamentali, creano collisioni disordinate, intasate di detriti e ad alta energia. Gli elettroni leggeri si scontrano in modo pulito ma a energie più basse.

La struttura più importante di oggi, il Large Hadron Collider (LHC), schiaccia protoni per sondare i limiti del Modello Standard, la teoria che funge da mappa del territorio più fondamentale dell'universo. Come mappa, il Modello Standard ha avuto successo fino al limite. Descrive con precisione il panorama conosciuto delle particelle elementari e delle forze che le collegano, così bene che qualsiasi deviazione dalla teoria fa notizia. Ma come tutte le mappe, il Modello Standard ha dei confini: non include la gravità e attualmente non ha risposte a misteri come l’identità della materia oscura.

I fisici non sono mai riusciti a far collidere i muoni con successo, principalmente perché le particelle vivono per appena 2,2 microsecondi prima di decadere. Se i muoni potessero essere contrastati, creerebbero collisioni pulite e ad alta energia, ideali per esplorare oltre i confini del Modello Standard. Nei muoni, “la natura ci ha fatto un dono; dovremmo trarne vantaggio”, sostiene Patrick Meade, teorico della Stony Brook University.

Il destino di qualsiasi futuro collisore spetta al Particle Physics Project Prioritization Panel (P5), un comitato di grande potere che si riunisce ogni decennio per definire gli ordini del giorno di ricerca e raccomandare finanziamenti per progetti chiave. Il rapporto P5 uscirà questo autunno e molti fisici sperano che includa una forte spinta per un collisore di muoni.

Non ci sono garanzie che un futuro collisore possa trovare nuove particelle, ma i sostenitori sono entusiasti del potenziale di scoperta offerto dai muoni. Un futuro con un vero collisore di muoni attivo rimane lontano. Anche sulla linea temporale più veloce e ottimistica, un collisore di muoni non si accenderebbe per almeno due decenni. Ma i fisici stanno già sognando dove esplorare con i muoni. "Abbiamo l'opportunità di fare qualcosa senza precedenti", afferma Cari Cesarotti, teorico del Massachusetts Institute of Technology. “Gli ostacoli che c’erano 10 anni fa si stanno dissolvendo. Ora è il momento! Quindi per me è proprio come, perché non dovresti farlo?

Il problema con i muoni è che muoiono. Durante la loro breve vita, devono essere raffreddati, focalizzati e accelerati quasi alla velocità della luce. L’approccio più praticabile inizia con il passaggio dei muoni attraverso un mezzo come l’idrogeno liquido, che ne indebolisce l’energia. Quindi potenti magneti possono focalizzare i muoni e accelerarli in un circuito dove si scontrano prima di decadere. Variazioni su questo piano esistono da decenni: un progetto è stato soprannominato “il Guggenheim” per la sua somiglianza con l'atrio a spirale del museo.

Curioso di sapere quanto tutto ciò fosse fattibile, nel 2011 il Dipartimento dell’Energia ha fondato il Muon Accelerator Program (MAP), un piccolo sforzo di ricerca e sviluppo che studia la fattibilità della collisione di muoni. Un team di fisici degli acceleratori si è messo al lavoro creando modelli computerizzati di collisori per vedere quali progetti potrebbero funzionare meglio. Ma proprio mentre lo sforzo prendeva il via, due scoperte apparentemente segnarono la fine di qualsiasi collisore di muoni.